DE2363166C3 - Hydraulische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und der aus der DT-PS 10 64 439 bekannten ArL

Bei der bekannten Maschine erfolgt die Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung auf vergleichsweise kurzem Weg. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage, der sich aus dem is Wirkungsgrad des Pumpenteils und des Turbinenteils zusammensetzt, negativ beeinflußt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, bei der die Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades auf längerem Wege erfolgen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Maschine bietet den Vorteil, daß sie verbesserte Strömungsverhältnisse besitzt, die zur Vergrößerung des Gesamtwirkungsgrades führen.

Bekannt sind aus der DTPS 6 06 894 und der CH-PS

1 70 180 hydraulische Maschinen mit auf gemeinsamen

Wellen angeordneten Turbinen- und Pumpenlaufrädern. Diese Maschinen besitzen jedoch zwei Spiralgehäuse

und beanspruchen daher mehr Raum. Außerdem ist der zu ihrer Herstellung erforderliche Aufwand größer als bei einer Maschine der hier zur Diskussion stehenden Gattung.

Die Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform und drei Varianten der erfindungsgemäßen Maschine. Darin zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch die Maschine, F i g. 2 einen Schnitt nach den Linien II-II, IH-III und IV-IVderFig. I,

Fig.3 einen Axialschnitt durch die erste Ausführungsvaria:! te,

Fig.4 einen Axialschnitt durch die zweite Ausführungsvariante,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4,

F i g. 6 eine der F i g. 5 ähnliche Teilansicht der dritten Ausführungsvariante.

Die in F i g. 1 dargestellte Maschine umfaßt ein einziges Spiralgehäuse 12, eine einstufige Turbine und eine einstufige Kreiselpumpe. Das Turbinenrad 15 und das Pumpenrad 23 sitzen auf einer gemeinsamen vertikalen Achse 13 mit ihren entgegengesetzt gerichteten Ansaugöffnungen. Die Beschaufelung dieser Räder ist für den Lauf derselben in gleicher Drehrichtung vorgesehen. ·

Das Turbinenrad 15 ist praktisch in der mittleren Ebene des Spiralgehäuses 12 angeordnet. Der zur Speisung des Turbinenrades 15 dienende Kanal ist ganz

in dem ringförmigen Raum untergebracht, der durch den Umfang dieses Rades und die zylindrische innere

Wandung des Spiralgehäuses abgegrenzt ist. Die

tangentiale Fließrichtung des Wassers im Spiralgehäuse

wird diesem ganzen Kanal enilang ohne Änderung aufrechterhalten (siehe F i g. 2, Schnitt H-II).

Die Stege des Vorleitapparates 4 der Turbine sind entsprechend der bei Francisturbinen angeordneten Bauweise ausgestaltet Dasselbe gilt für die Leitschau-

fein 5 die zusammen den verstellbaren Leitapparat der Turbine bilden. Dieser Leitapparat wird durch einen gebräuchlichen Mechanismus gesteuert, der aus einem Schiebering 11 besteht und über Laschen 1 auf die Drehbolzen 2 der Leitschaufeln 5 einwirkt

Ein Spaltschieber 3 gestattet es, den Innenraum des Spiralgehäuses 12 von dem Innenraum in dem sich das Turbinenrad 15 dreht, zu trennen. Die verstellbaren Leitschaufeln S des Leitapparates könnten selbstverständlich zum gleichen Zweck dienen. Der Spaltschieber 3 ist zwischen dem Vorleitapparat 4 und den Leitschaufeln 5 geschaltet, aber er könnte auch zwischen den Leitschaufeln 5 und dem Turbinenrad 15 liegen.

Das dem Turbinenrad 15 benachbarte Pumpenrad 23 sitzt in ziemlich großem Abstand von der mittleren Ebene des Spiralgehäuses 12.

Ein feststehendes Element 16 des Gehäuses, welches das Lager 19 der Welle 13 trägt, ist zwischen die besagten Räder 15 und 23 geschaltet Am Umfang des feststehenden Elementes 16 des Gehäuses sind Umlenkkanäle 7 angeordnet, welche die hydraulische Verbindung zwischen dem Pumpenrad 23 und dem Spiralgehäuse 12 gewährleisten. Die Stege 8 dieses Elementes 16 bilden die Seitenwände der Umlenkkanäle 7 (F i g. 2).

Verschiedene ringförmige Kammern 17, 20, welche die Welle umgeben liegen beiderseits des Lagers im Element 16 und sind über Kanäle 18, 21, wel:he die Wand der Stege 8 durchsetzen, mit der Außenluft verbunden.

Diese Gruppe von Kammern 17, 20 gewährleistet verschiedene Funktionen wie den ölkreislauf des Lagers, die Abführung des Leckwassers der Wasserabdichtung der Räder, die Entlüftung und die Abkühlung oder die Wasserentleerung.

Das Pumpenrad 23 sitzt fliegend auf dem Ende der gemeinsamen Welle 13 und seine vollständig freiliegende Ansaugöffnung 24 wird also unter den günstigsten hydraulischen Bedingungen gespeist.

Der Auslauf 9 (Diffusor) mit seiner üblichen Beschaufelung (siehe Fig.2 Schnitt HI-III), ist am Umfang des Pumpenrades angeordnet. Er verändert die Richtung der Tangentialkomponente des aus dem Pumpenrad 23 ausströmenden Wassers nicht. Seine Gestaltung und seine Verbindung mit den Umlenkkanälen entsprechen der Bauweise, die bei Rücklaufkanälen der mehrstufigen Pumpen angewandt wird.

Die Umlenkkanäle 7, in welche der Auslauf 9 der Pumpe einmündet, gewährleisten die hydraulische Verbindung und die fortschreitende Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung zwischen dem Umfang des Pumpenrades 23 und dem Spiralgehäuse 12. Sie münden in dieses Spiralgehäuse an einer Stelle 6 unter einem Winkel, welcher der von den Kanälen 7 herkommenden Wasserströmung eine Richtung auferlegt, die annähernd jener der Wasserströmung im Spiralgehäuse entspricht (siehe Fig.2 Schnitt IV-IV).

Ein Spaltschieber 10 ist zwischen dem Umfang des Pumpenrades 23 und seinem Auslauf 9 (Diffusor) geschaltet und gestattet, den Innenraum des Spiralgehäuses 12 vom Raum in welchem sich das Pumpenrad 23 dreht, zu trennen.

Zahlreiche Varianten der erläuterten Ausführungsform sind noch denkbar.

Gemäß der in F i g. 3 dargestellten Variante münden die Umlenkkanäle an einer anderen Stelle der Außenseite des Spiralgehäuses 12 aus. Diese Umlenkkanäle können aus mehreren getreanten Leitungen 22 bestehen. In diesem Fall werden die Kanäle 18,21 in den bestens geeigneten Stellen des Elementes 16 angeordnet dessen Stege nicht mehr unbedingt die Seitenwände der Umlenkkanäle bilden.

Gemäß der in F i g. 4 dargestellten Variante bestehen die Umlenkkanäle aus mehreren getrennten Leitungen 22, die außerhalb des Elementes 16 angeordnet sind, mit welchem sie nicht unmittelbar verbunden sind.

Diese Leitungen 22 münden an der Stelle 6 des äußeren Umfanges des Spiralgehäuses unter einem Winkel aus, welcher der Wasserströmung eine Richtung auferlegt die annähernd jener der Wasserströmung im Spiralgehäuse entspricht Sie könnten auch noch auf einer anderen Außenseite der Gehäusewand ausmünden.

Die Querschnittsansicht nach F i g. 5 dieser Variante zeigt die wasserbauliche Gestaltung der Pumpe und der Turbine.

Der linke Teil dieser Figur zeigt Teilspiralen 25, die am Umfang des Pumpenrades 23 angeordnet sind und welche je durch einen Rohrstutzen 26 verlängert werden, der als Auslauf (Diffusor) dient und einen Umlenkkanal 22 speist

Gemäß der in F i g. 6 dargestellten Variante sind die Teilspiralen 25 am Umfang eines Diffusors mit feststehenden Schaufeln 9 angeordnet. Die Rohrstutzen 26 könnten auch noch auf ihrer ganzen Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen.

Der Spaltschieber 10 kann durch einzelne Absperrmittel ersetzt werden, die in jede der in beiden Varianten erwähnten getrennten Leitungen eingebaut werden.

Die Welle der Maschine kann vertikal, horizontal oder schräg liegen. Die Räder der Turbine 15 und/oder der Pumpe 23 können Radial-, Diagonal- oder Axialräder sein.

Die Pumpe kann mit ihrem fliegend gelagerten Rotor zweistufig sein, wobei die Turbine eine Stufe oder ebenfalls zwei Stufen aufweisen kann. Die Welle kann auch von der Bauart sein (wie jene der doppelten Francisturbine), welche die Turbine und die Pumpe durchsetzt, die eine oder mehrere Stufen aufweisen können.

Die Pumpe kann mit verstellbaren Diffusoren ausgerüstet werden. Die respektive Lage der benachbarten Turbinen- und Pumpenräder, in bezug auf die mittlere Ebene des Spiralgehäuses, kann der obigen Beschreibung entsprechen, aber sie kann auch invertiert werden.

Unter den technischen und wirtschaftlichen Vorteilen, welche die beschriebene Pumpenturbine aufweist, können folgende aufgeführt werden:

Die Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung tritt fortschreitend auf und erzeugt geringere Verluste in den Umlenkleitungen. Dieser Vorgang kann also zwischen dem Ausgang der Pumpendiffusoren und dem Spiralgehäuse bewirkt werden. Dies war mit den vorbekannten »Isogyre-Maschinen« ausgeschlossen. Welcherart die den gekrümmten Diffusoren gegebene Form auch sein mag, die durch die Krümmung der Stromfaden erzeugten sekundären Strömungen werden das Abreißen der im Diffusor verzögerten Strömung bewirken, wobei beträchtliche Energieverluste verursacht werden.

Sämtliche, im beschriebenen Maschinensatz eingebauten Elemente der Turbine werden gleich ausgestaltet und wirken wie jener einer entsprechenden

klassischen Turbine. Die von der älteren Ausführung durch die gekrümmten Stege der Turbine verursachten zusätzlichen Verluste werden unterdrückt und der Wirkungsgrad bei Turbinenbetrieb wird erhöht, ohne die Leistungsabgabe im Pumpenbetrieb zu beeinträchtigen.

Bei den bekannten Maschinen wurden die zusätzlichen Verluste, welche auf die in den gekrümmten Stegen der Turbine auftretenden sekundären Strömungen zurückzuführen sind, in annehmbaren Grenzen gehalten, indem bei der Strömung durch diese Stege eine Beschleunigung erzeugt wird, die mit einem stark überdimensionierten Spiralgehäuse erzielt wird. Bei der beschriebenen Maschine hingegen entspricht die Gestaltung der Stege der bei den Francisturbinen üblich angewandten Bauweise, wobei aus den gemachten Erfahrungen Nutzen gezogen wird, um die kleinsten Energieverluste zu erzielen, indem ein kleineres Spiralgehäuse verwendet wird.

Die Erlangung des optimalen Wirkungsgrades wird also gewährleistet, indem dabei eine Materialeinsparung und eine Verringerung des Raumbedarfs der Maschinensätze erzielt wird, die sich auf die Ausbaumasse des Kraftwerkes und die Baukosten günstig auswirken.

In Ausnahmefällen, bei welchen die wirtschaftliche Bedeutung des Pumpenbetriebes jene des Turbinengetriebes übertrifft, besteht die Möglichkeit, den Wirkungsgrad der Pumpe noch zu begünstigen (zum leichten Nachteil der Turbine), indem die relativen Lagen der Pumpen- und Turbinenräder, in bezug auf die mittlere Ebene des Spiralgehäuses, vertauscht werden. Die Diffusoren der Pumpe münden dann unmittelbar in das Spiralgehäuse ein, wobei diese Elemente entsprechend den gemachten Erfahrungen ausgestaltet werden, um eine optimale Leistung zu erzielen. Die fortschreitende Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung wird dann durch die Umlenkkanäle gewährleistet, welche das Spiralgehäuse mit dem Leitapparat der Turbine verbinden.

Das Vorhandensein eines Führungslagers zwischen den Turbinen- und Pumpenrotoren bringt eindeutige bauliche Vorteile und erzeugt günstige hydraulische Wirkungen. Die kritischen Umlaufgeschwindigkeiten der Welle werden dadurch leichter verhindert, ohne daß es nötig ist, ihren Durchmesser über den vom übertragenen Drehmoment erforderlichen Wert zu vergrößern, so daß diese Welle billiger kommt. Die Spielräume der Wasserabdichtung der Räder können kleiner gehalten werden, da ein Rundlauffehler derselben nicht mehr zu befürchten ist und das Durchsickern wird zu Gunsten des Wirkungsgrades vermindert.

Die fliegende Lagerung des Rotors gibt die Ansaugöffnung der Pumpe zu Gunsten des Kavitationsverhaltens ihres Rades vollkommen frei. Unter den gleichen Druckverhältnissen wird die Kavitationserosion vermindert und bei gleicher Erosionsgefahr kann die Maschine kleineren Druckverhaltnissen ausgesetzt werden. Eine Verminderung der Betriebs- und Baukosten kann dadurch erzielt werden.

Bei den bekannten Maschinen gestattet die zwischen den Turbinen- und Pumpenrädern eingeschaltete gemeinsame Wasserabdichtung nicht, einen optimalen Ausgleich der Axialdrücke bei allen Betriebsbedingungen zu erzielen. Bei der beschriebenen Maschine können die entsprechenden Abdichtungen einzeln für jedes Rad bemessen und die Axialdrücke auf viel kleinere Werte herabgesetzt werden.

Das Ablassen des von den Wasserabdichtungen der Räder herrührenden Leckwassers wurde bis jetzt mil Hilfe von Kanälen erzielt, welche in die zwischen den benachbarten Pumpen- und Turbinenräder liegende zentrale Sohle gebohrt wurden. Diese Kanäle durchsetzen dann die Stege des Spiralgehäuses. Die Ausführung dieser Kanäle stellte schwer zu lösende Probleme, in Bezug auf die Bearbeitung, die kostspielig war. Bei der beschriebenen Maschine sind die zur Aufnahme des Leckwassers dienenden Kammern, welche in der Lagerstütze eingearbeitet sind und die Kanäle zum Ablassen desselben, wirtschaftlicher herstellbar. Ferner wird das Ablassen des Leckwassers erleichtert, da die Ablaßkanäle kürzer und gerader sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Hydraulische Maschine mit einem Turbinenteil und einem eine entgegengesetzt gerichtete Ansaugöffnung aufweisenden Pumpenteil, bei der ein Turbinenrad und ein Pumpenrad auf einer gemeinsamen Welle sitzen und abwechselnd in der selben Drehrichtung in einem einzigen einerseits am Leitapparat des Turbinenteils und andererseits am Auslauf des Pumpenteils angeschlossenen Spiralgehäuse arbeiten, wobei das Innere des Spiralgehäuses von dem Raum, in dem sich das Turbinenrad bzw. das Pumpenrad dreht, abtrennbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eines (15) der beiden Räder (15, 23) praktisch in der mittleren Ebene des Spiralgehäuses (12) auf der Welle (13) sitzt, während das andere Rad (23) im Abstand vom ersten Rad (15) auf der Welle (13) gelagert ist und über zur Richtungsänderung der Tangentialkomponente der Wasserströmung zwischen ihm (23) und dem Spiralgehäuse nutzbaren Kanälen (7, 22) mit dem Spiralgehäuse (12) in Verbindung steht.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Rädern (15, 23) ein feststehendes Element (16) des Spiralgehäuses angeordnet ist, das das Lager (19) für die Welle (13) trägt.

3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im festehenden Element (16) des Spiralgehäuses verschiedene ringförmige Kammern (17, 20) befinden, welche die Welle umgeben und über Kanäle (18, 21) mit der Außenluft verbunden sind.

4. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Richtungsänderung dienenden Kanäle (7) von einer durch Zwischenwände unterteilten mit dem Spiralgehäuse verbundenen ringförmigen Kammer des feststehenden Elementes (16) des Gehäuses gebildet werden.

5. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Richtungsänderung dienenden Kanäle (22) mindestens teilweise aus Rohrstutzen bestehen, die an das Spiralgehäuse angeschlossen sind.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Rohrstutzen Absperrschieber zugeordnet sind.

7. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (15) in der im wesentlichen mittleren Ebene des Spiralgehäuses liegt und das Pumpenrad (23) von dieser Ebene axial entfernt angeordnet ist, wobei die Kanäle (7,22) zur Richtungsänderung den Ausgang des Diffusors (9, 26) der Pumpe (23) mit dem Spiralgehäuse (12) verbinden.

8. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenrad (23) in der im wesentlichen mittleren Ebene des Spiralgehäuses (12) liegt und das Turbinenrad (15) von dieser Ebene axial entfernt angeordnet ist, wobei die Kanäle (7, 22) zur Richtungsänderung das Spiralgehäuse (12) mit dem Leitapparat (5) der Turbine verbinden.

9. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (15, 23) auf dem Stumpf einer gemeinsamen Welle (13) angeordnet sind, wobei dts Pumpenrad (23) derart am Stumpfende gelagert ist, daß die Ansaugöffnung (24) für das Pumpenrad (23) gänzlich frei liegt.

10. Maschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe und/oder die Turbine mehrstufig ist